深海中蕴藏有丰富的天然气水合物资源,开采出的天然气在输送过程中会使管道呈现气（天然气）液（液态水）固（水合物颗粒）三相流动的特点。受沿线不断变化的温度和压力条件影响,输送管道中的水合物颗粒会出现生长或分解的现象。在气液固三相流动状态下,温度、压力、流速和气/液/固相的比例等参数会影响水合物颗粒的相变行为;水合物颗粒相变又会反过来影响管道的水力和热力参数分布规律。这种水合物颗粒的相变与管道流动参数的动态耦合作用,使得对水合物动力学参数和管道流动参数的预测和分析变得非常困难。针对上述问题,基于流体力学、热力学、动力学和传热传质学理论,采用实验、理论和数值模拟相结合的方法,研究了水-水合物两相平衡下气体溶解度变化规律、水合物颗粒的生长和分解动力学特征和机理以及含水合物颗粒的气液固三相管流理论。建立了水-水合物两相平衡气体溶解度预测模型、水合物生长动力学预测模型、水合物分解动力学预测模型和考虑水合物颗粒相变的气液固三相管流数学模型,实现了对伴随水合物颗粒相变的气液固三相管流热力学、水力学特征和规律的描述,为深水天然气水合物输送管道的设计、运行和管理提供了理论和技术支撑。具体的研究内容和取得的主要成果如下:（1）水-水合物两相平衡状态下水相中气体溶解度的预测可靠性,直接对水合物生长驱动力和生长速率的预测产生重要影响。基于van der Waals-Platteeuw理论模型描述水合物相,分别选用亨利定律、PREoS、VPT EoS和TB EoS四种方法计算气体逸度,描述含有溶解气的水相,从而建立了 v-HL、v-PR、v-VPT和v-TB四种水-水合物两相平衡预测模型,实现对该状态下气体溶解度的预测。借助文献实验数据和商业软件Multiflash 4.4,评价出四种模型的优劣。其中,v-VPT模型在温度273.1～294.55 K,压力2.57～46.76 MPa范围内与其他状态方程法相比具有更高的精度。针对该模型在描述水分子和甲烷分子之间的非对称相互作用时,没有充分考虑到过冷水极性增强的性质,从而带来一定偏差的问题,基于实验数据重新拟合了甲烷-水二元交互作用系数,形成了改进的v-VPT水-水合物两相平衡气体溶解度预测模型。改进后的模型误差明显减小,且优于商业软件Multiflash 4.4的模拟精度。（2）基于全透明高压反应釜装置,开展了 16组200～1000 PRM下甲烷水合物生长和分解动力学实验研究。通过实验参数测量和现象记录相结合的方法,得到了较为完整的水合物生长和分解动力学特征,并阐释了相变过程的控制机理。将实验过程划分为诱导期、水合物快速生长期、水合物缓慢生长期和水合物分解期四个阶段。并且,依据搅拌电机扭矩变化规律,分析了搅拌和水合物体积分数对水合物浆液流动特性的影响。（3）以气体传质单膜理论为基础,以Skovborg&Rasmussen传质限制模型为基本形式,考虑了气液界面水合物膜的覆盖作用和水合物浆液黏度对传质的影响,建立了传质系数、气液界面面积和浓度差驱动力等关键参数的预测方法,形成了一个完整的水合物生长动力学预测模型。结合本文反应釜和文献环道实验数据,验证了模型的可靠性,发现其明显优于Boxall本征生长动力学模型和其他传质限制模型。通过改进Graham黏度模型,提高了水合物浆液黏度预测准确性,进一步提高了水合物生长动力学预测模型的精度。（4）基于水合物分解“三步骤”机理,综合水合物本征分解动力学和气体传质理论,建立了水合物分解动力学预测模型。针对模型预测结果与实验值偏差较大的问题,考虑到水合物分解产生的气泡对传质过程的影响,在模型中引入一个修正函数来表征气泡数量密度与传质系数的关系,提高了分解动力学预测模型的准确性。通过反应釜实验数据验证可知,该水合物分解动力学预测模型具有较高的可靠性。（5）考虑水合物颗粒的生长和分解与管道状态参量的耦合作用,基于守恒原理,建立了伴随水合物颗粒相变的气液固三相管流数学模型。结合水合物颗粒生长、分解动力学预测模型,基于CFD技术,对所建立的模型进行数值求解。借助文献实验数据,对模型的可靠性进行了验证。通过对水平和垂直水合物输送管道的模拟,定量描述了管道中水合物颗粒的发展过程和三相流动规律。结果表明,气相体积分数、水合物浓度、流速对水合物输送水平管道的压降影响较大。水合物颗粒相变对垂直管中各相质量流量、流速、相分布、温度和压降都有影响,其中,水合物分解对各相流速影响较大,对压降影响较小。并以我国南海海水温度分布为条件,分析了深水天然气水合物输送管道的流动安全性。